核心提示：　　雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī)，是交流電機(jī)調(diào)速與傳動(dòng)領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一新的研究方向

　　雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī)，是交流電機(jī)調(diào)速與傳動(dòng)領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一新的研究方向，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能已得到越來越多的關(guān)注和研究[1～5 ].雙凸極電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與帶有閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)類似，只是在定子上（或轉(zhuǎn)子上）裝有永磁體（或電勵(lì)磁線圈） ，在調(diào)速性能上與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相近[ 3， 4 ].雙凸極電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩/電流比大、功率因數(shù)接近于1、效率高等。

　　然而由于這種電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電源的開關(guān)形式，導(dǎo)致了其不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性。

　　雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)的影響，其合成轉(zhuǎn)矩并不是恒定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要源于兩種情況，一種是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是由開關(guān)管高頻PWM工作造成的，對(duì)電機(jī)性能影響相對(duì)較小另一種是電流換向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)性能影響較大。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響雙凸極電機(jī)調(diào)速性能的重要因素，本文對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析，研究如何通過雙拍控制以及改進(jìn)控制參數(shù)和勵(lì)磁電流波形等方法減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

　　1轉(zhuǎn)矩仿真分析假設(shè)雙凸極電機(jī)的電感為分段線性化的理想情況，電機(jī)的電感不隨電樞電流變化，并認(rèn)為在電勵(lì)磁的情況下，勵(lì)磁磁導(dǎo)無窮大，使相與相之間的互感近似為零。雙凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為以A相為例，電機(jī)一相的輸出轉(zhuǎn)矩為式中： T為磁阻轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過電流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組電感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量 T為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過電流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。不考慮相與相之間的互感時(shí)，可以分別計(jì)算各相的輸出轉(zhuǎn)矩，再將它們線性疊加，求出輸出的總轉(zhuǎn)矩。

　　1. 1電流控制時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析在電流不控制的情況下，電流波形正負(fù)不對(duì)稱，正向幅值小于負(fù)向幅值，見圖1（ a）。這是因?yàn)檎螂娏鬟_(dá)到峰值時(shí)，電感L達(dá)到最大值，電感阻礙電流變化的作用較大，使電流變化緩慢，波形較禿而反向電流達(dá)到峰值時(shí)，電感L達(dá)到最小值，電感阻礙電流變化的作用較小，使電流變化迅速，波形較尖，從而使正反向電流不對(duì)稱。加了電流控制后，電流就會(huì)被控制在某一值附近，使電流波形較對(duì)稱，見圖1（ b）。另外，由于電感的影響，在兩種情況下，均為正向電流向負(fù)向電流換向時(shí)，電流變化較慢，而負(fù)向電流向正向電流換向時(shí)，電流變化較快。

　　對(duì)稱使轉(zhuǎn)矩波形在正負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)不對(duì)稱，換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大若進(jìn)行電流控制，則正負(fù)半周電流較對(duì)稱，雖然仍存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但較之不加控制時(shí)（ a）電流不控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形（ b）電流控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形（ c）電流不控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形（ d）電流控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形相蓉，等：雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究變小了。由式（ 2）知，由于雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩上加上磁阻轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩恒為正，而磁阻轉(zhuǎn)矩是正負(fù)交替的，只有當(dāng)勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩才不會(huì)因?yàn)榇抛柁D(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)。電流不控制時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩大小差不多，甚至可能某一時(shí)刻磁阻轉(zhuǎn)矩大于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，使得輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。在電流控制的情況下，相電流本身脈動(dòng)較小，而且在這種情況下，可以做到使磁阻轉(zhuǎn)矩小于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變小。

　　1. 2單拍工作時(shí)控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響雙凸極電機(jī)一般有兩種工作方式：單拍工作方式和雙拍工作方式。單拍工作方式在任一時(shí)刻只有一相繞組導(dǎo)通，而雙拍工作方式有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通。顯然，雙拍工作方式的輸出轉(zhuǎn)矩要大于單拍工作方式，雙拍工作方式時(shí)的轉(zhuǎn)矩/電流比大于單拍工作方式。

　　矩脈動(dòng)明顯減小，但由于電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，仍將對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。因此有必要研究通過改變電機(jī)控制參數(shù)減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法之一就是使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多，從而使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。下面嘗試用改變電樞電流和勵(lì)磁電壓這兩個(gè)控制參數(shù)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　1. 2. 1改變電樞電流減小相電流可明顯減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此處定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為正半周平均轉(zhuǎn)矩與負(fù)半周平均轉(zhuǎn)矩之差比一周內(nèi)平均轉(zhuǎn)矩。圖2表明，當(dāng)電樞平均電流幅值I為7 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為43. 5 而當(dāng)I為5 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降為11. 8.這是因?yàn)闇p小相電流I平方按平方關(guān)系減小，使之減小幅度遠(yuǎn)大于T的減小幅度，從而使T遠(yuǎn)小于T ae，因此采用此方法可以有效地減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　1. 2. 2改變勵(lì)磁電壓由圖3可見，增大勵(lì)磁電壓U f，可明顯減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， U 14 V時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為31. 6 而當(dāng)U矩脈動(dòng)下降為24. 0.由式（ 2）知，勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T正比于I而磁阻轉(zhuǎn)矩T不隨I的變化而變化，所以勵(lì)磁電壓U增大時(shí)，相應(yīng)地提高了I f，使輸出的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T相應(yīng)增大，而此時(shí)電樞電流保持不變，也保持不變，故T比在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中所占的份量增大，因此達(dá)到了減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

　　1. 3雙拍工作方式轉(zhuǎn)矩分析單拍工作方式存在較大的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，另外，由于電感特性中有約1 /3周期的電感值不變，決定了這種工作方式有約1 /3周期輸出轉(zhuǎn)矩為零，為進(jìn)一步改善雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，可采用雙拍工作方式。

　　南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)比較圖3～5可知，雙拍工作方式輸出轉(zhuǎn)矩比單拍工作方式約大兩倍，且不存在輸出轉(zhuǎn)矩為零的區(qū)間，這是由于雙拍工作方式任一時(shí)刻有兩相同時(shí)工作，輸出轉(zhuǎn)矩為兩相轉(zhuǎn)矩疊加。另外，由于兩相工作的對(duì)稱性，當(dāng)兩相輸出轉(zhuǎn)矩疊加時(shí)，這兩相的電流反向，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也反向，疊加時(shí)磁阻轉(zhuǎn)矩的作用可以抵消，有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　1. 4改變勵(lì)磁電流波形的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析雖然采用雙拍工作方式有效地減小了電流換向引起的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是雙凸極電機(jī)的工作原理決定了電流由于換向必然存在過零點(diǎn)，使得各相轉(zhuǎn)矩必然存在過零點(diǎn)，由電感特性決定了輸出轉(zhuǎn)矩中可能存在兩相同時(shí)換相，轉(zhuǎn)矩同時(shí)過零，而另一相轉(zhuǎn)矩非零的情況，此時(shí)由于電感處于最大值，阻礙相電流變化作用明顯，使得電流換向的變化率不夠大，形成換相缺口，如圖5中的t期間。要消除此缺口，可考慮在t期間加大第三相的勵(lì)磁相蓉，等：雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究電流（見圖7）以提高其輸出轉(zhuǎn)矩，以此彌補(bǔ)換相引起的缺口，減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由圖6， 8可見，改變勵(lì)磁電流的波形增大了另一相在其它兩相換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的換相缺口減小。

　　可見改變勵(lì)磁電流波形可有效地減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　勵(lì)磁電流波形輸出轉(zhuǎn)矩波形2結(jié)論轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響雙凸極電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的重要指標(biāo)，因此研究減小雙凸極電機(jī)電流換向和電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有很大的意義。本文提出了改變雙凸極電機(jī)的控制參數(shù)、采用雙拍工作方式和改變勵(lì)磁電流波形等方法改善雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性，得出如下結(jié)論：（ 1）要減小雙凸極電機(jī)的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，就要使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩在輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。單拍工作方式時(shí)可采用的方法有：減小電機(jī)的相電流和增大勵(lì)磁電壓，但前者是以減小輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，而后者又能提高輸出轉(zhuǎn)矩，所以最好將兩種方法結(jié)合起來，既減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又得到所需的輸出轉(zhuǎn)矩。

　　（ 2）雙拍工作方式下提高了輸出轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩/電流比大，另外由于兩相同時(shí)工作，當(dāng)兩相電流方向相反時(shí)產(chǎn)生相反的磁阻轉(zhuǎn)矩，在輸出轉(zhuǎn)矩中相抵，因此較單拍工作方式有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　（ 3）改變雙凸極電機(jī)勵(lì)磁電流的波形，可以在某兩相電流換相時(shí)，增大另一相的轉(zhuǎn)矩，疊加時(shí)可以彌補(bǔ)由于換相產(chǎn)生的缺口。因此改變勵(lì)磁電流的波形可改善換相缺口，有效地減小電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。